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探究不同高陡边坡植被配置的水土保持效益状况

2020-06-05 195 上传者：管理员

摘要：以高陡边坡为研究对象,研究不同植被配置模式对水土保持效益的影响,以期为高陡边坡水土流失的治理及恢复提供参考。通过定点径流小区观测的方法,设置4种植被配置模式,每种模式设置3次重复,研究自然降雨条件下各模式的产流产沙差异,对比分析各模式的水土保持效益。结果表明:1)观测期总降雨量为955.6mm,总降雨历时为1037.8h,观测期内降雨量较大,历时较长,但月际分布不均;2)草本、花草、灌草及乔草模式的产流量分别为16.32±1.27m3、25.67±3.32m3、21.8±5.76m3、15.1±2.47m3,花草模式产流量最大,乔草产流量最小;3)草本、花草、灌草及乔草模式的产沙量分别为48.95±6.58kg、63.33±15.00kg、69.95±20.00kg、30.37±3.09kg,灌草模式产沙量最大,乔草产沙量最小;4)草本、花草、灌草及乔草模式的产流量分别为978.91±131.68t/km2、1266.67±301.4t/km2、1399.03±364.9t/km2、607.49±261.8t/km2,灌草模式的土壤侵蚀量最大,乔草模式的最小。乔草模式、草本模式的产流量、产沙量、土壤侵蚀量小于花草模式、灌草模式,说明乔草模式和草本混合模式的水土保持效益更优,尤以乔草模式最优。

关键词：
效益
植物配置
水土保持
生态恢复
资源开发
高陡边坡
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随着人口增长和经济快速的发展,工业化和城市化进程的加快,生产建设活动和资源开发活动急剧增加,尤其高速公路、风电场等建设,形成大量高陡边坡[1],造成诸如诱发滑坡、坍塌、泥石流现象,土壤淤积河道,降低泄洪能力,弱化土壤肥力,土地资源流失,景观破坏和生态退化等问题,其植被恢复成为公众关注的热点,也成为生态恢复工作中的难点,属于世界性难题[2,3]。而边坡防护工程中,基于乡土植物的生态优势,在裸露边坡上重建边坡植被的生态固坡技术在改善路域景观、减少水土流失等方面的应用日益普及[4]。

植被从地上冠层到地下根系,都对水土流失有着直接或间接的作用[5]。随着植被覆盖度的增加,可拦截降雨,削弱雨滴击溅动能,减少降雨侵蚀力,覆盖保护地表,增大坡面糙率和延阻径流,径流量随之减少[6];植被类型、层次结构和形态特征也是水土保持的关键因素[7]。一定的植被覆盖度,有良好的结构,一定数量的枯枝落叶层,这是植被保持水土的关键[8]。

植被对生态系统的良性发展具有十分重要的意义,植被恢复作为防治水土流失的主要技术措施,能够保护和改良水土资源,恢复生态环境和生态平衡,促进人与自然和谐发展,维护和提高土地生产力,兼顾水土资源的生态、经济和社会效益,促进水土资源可持续利用[9]。但是在有关植物措施配置的研究还存在着一些较为突出的问题:植物种的适生性、种类选择,乔灌草藤的搭配,草本植物的混合比例等都有待于进一步研究[10]。因此,本文在已有研究的基础上,选择优势乡土植物种类,确定混合比例,构建草本、花草、灌草和乔草模式,对比分析4种模式的水土保持效益,以期为高陡边坡水土流失的防治及恢复提供参考。

1、项目区概况

径流小区布设于江西水土保持生态科技园内,该园位于江西省北部、鄱阳湖水系博阳河西岸的德安县工业园区内。地貌类型以构造剥蚀低丘为主,海拔高度为30～90m,坡度为5°～25°。地处亚热带季风气候区,多年平均降雨量为1350.9mm,最大年降雨量为1807.7mm,最小年降雨量为865.6mm,多年平均蒸发量为1558mm。区内多年平均气温16.7℃,极端最低气温-11.9℃,极端最高气温38℃,多年平均日照时数为1882.5h,多年平均无霜期为249d。

2、材料与方法

考虑乔灌草及冷暖季搭配筛选植物,选择刺槐、马棘、波斯菊、狗牙根、黑麦草、高羊茅等进行组合配置,设置草本、花草、灌草及乔草等4种模式,每种模式设3次重复,共12个径流小区,每个径流小区的面积为10m×5m(投影长度),按20g/m2。各小区按照1∶1.5的坡度进行设置,径流小区下设3个径流桶,采用七孔分流法收集次降雨的产流产沙[11,12]。各植物配置模式径流小区布置如表1所示。

表1各径流小区配置表

对示范水土保持植物配置模式小区进行降雨观测,观测期为2018年7月—2019年5月,对观测期内的降雨进行观测,研究4种模式的产流产沙及土壤侵蚀特征,以此分析4种植物配置模式的水土保持效益差异并进行评价。本研究选择产流量、产沙量及土壤侵蚀量分析研究不同模式的水土保持效益,计算方法采用观测区常规方法[13,14]。

3、结果与分析

3.1降雨特征

降雨是坡面水蚀的源动力,与坡面产汇流、产输沙关系密切。了解降雨基本特征,对于研究降雨条件下坡面水蚀特征有着重要作用。对观测期降雨分析统计,剔除不满足条件降雨后,统计分析降雨因子特征,为研究不同处理措施产流产沙的特征、规律及对比分析不同治理措施的水土保持效益奠定基础。

观测期内,总降雨量为955.6mm,各月份降雨量依次为16.9mm、58.5mm、19mm、37.6mm、75.9mm、77.6mm、90mm、196.3mm、143.3mm、159.2mm、81.3mm,总降雨历时为1037.8h,各月份降雨历时分别为0.8h、13.7h、2.5h、63.2h、101.3h、148.8h、213.9h、284.8h、67.3h、77.0h、64.7h,平均雨强分别为22.53mm/h、4.28mm/h、7.60mm/h、0.60mm/h、0.75mm/h、0.52mm/h、0.42mm/h、0.69mm/h、2.13mm/h、2.07mm/h、1.26mm/h。观测期内降雨量较大,历时较长,平均雨强也比较大,但月际分布不均。

3.2不同植被配置模式产流特征

不同植被配置模式的产流量总体差异较大,草本、花草、灌草及乔草模式的产流量分别为16.32±1.27m3、25.67±3.32m3、21.8±5.76m3、15.1±2.47m3,以均值对比不同模式的产流量,可以看出观测期内各配置模式产流顺序为花草模式>灌草模式>草本模式>乔草模式,花草、灌草与草本、乔草之间差异明显(p<0.05),彼此之间差异不明显(p>0.05),草本、乔草之间差异也不明显(p>0.05)。花草模式产流量最大,是最小乔草模式的1.7倍,是草本模式的1.57倍,灌草模式其次,是最小乔草模式的1.44倍,是草本模式的1.33倍。在相同的降雨条件下,草本模式、乔草模式的产流量小,更多的降雨被两模式植被吸收,说明草本和乔草模式具有更好的水源涵养功能,主要是花草、灌草两种模式种子成活率不高,导致后期植被覆盖率不高,对降雨的拦截、含蓄水分能力降低,受降雨的影响较大。

3.3不同植被配置模式产沙特征

不同植被配置模式的产沙量总体差异较大,草本、花草、灌草及乔草模式的产沙量分别为48.95±6.58kg、63.33±15.00kg、69.95±20.00kg、30.37±3.09kg,以均值对比不同模式的产流量,可以看出,观测期内各模式产沙顺序为灌草模式>花草模式>草本模式>乔草模式,花草、灌草与草本、乔草之间差异明显(p<0.05),彼此之间差异不明显(p>0.05),草本、乔草之间也具有明显差异(p<0.05),灌草模式产沙量最大,是最小乔草模式的2.3倍,是草本模式的1.43倍,花草模式次之,是最小乔草模式的2.09倍,是草本模式的1.29倍,说明观测期内乔草、草本两种模式的固土能力更强。在相同的降雨条件下,草本模式、乔草模式的产沙量小,主要是因为两模式形成的坡面径流小,对坡面土壤的冲刷能力较花草、灌草模式低,其次两种模式的种子成活率较高,植被覆盖度较好,尤其乔草模式,拦截了部分降雨,避免降雨直接锤击坡面,大大降低了坡面溅蚀的发生,坚持保持土壤的抗冲刷能力。相同植物模式之间变动幅度比较大,花草模式达到15kg、灌草模式达到20kg,这主要是由于不同重复之间植被率引起的。

3.4不同植被配置模式土壤侵蚀量研究

不同植被配置模式的土壤侵蚀量总体差异较大,草本、花草、灌草及乔草模式的土壤侵蚀量分别为978.91±131.68t/km2、1266.67±301.4t/km2、1399.03±364.9t/km2、607.49±261.8t/km2,以均值对比不同模式的土壤侵蚀量,可以看出观测期内各配置模式土壤侵蚀顺序为灌草模式>花草模式>草本模式>乔草模式,花草、灌草与草本、乔草之间差异明显(p<0.05),彼此之间差异不明显(p>0.05),草本、乔草之间也有明显差异(p<0.05)。灌草模式产沙量最大,是最小乔草模式的2.3倍,是草本模式的1.43倍,花草模式次之,是最小乔草模式的2.09倍,是草本模式的1.29倍,说明观测期内乔草、草本两种模式的抗侵蚀能力更强。这与各模式产沙原因一样,主要受种子成活率、植被覆盖度的影响。

4、结论与建议

不同植被配置模式之间的产流、产沙、土壤侵蚀量差异各不相同,观测期内各配置模式产流顺序为花草模式>灌草模式>草本模式>乔草模式,产沙顺序为灌草模式>花草模式>草本模式>乔草模式,土壤侵蚀顺序为灌草模式>花草模式>草本模式>乔草模式,可以看出乔草模式的产流、产沙量、土壤侵蚀量都是最小,其次是草本模式,花草模式的产流量大于灌草模式,而灌草模式的产沙量与土壤侵蚀量都大于花草模式。可以看出,观测期内,乔草和草本模式保水固土能力更强,具有更好的水土保持效益。

(1)不同植被配置模式之间、各模式重复之间由于种子成活率的不同,引起植被覆盖度的差异,进而导致各模式之间产流、产沙、土壤侵蚀量的差异,总体来看,乔草模式的产流量、产沙量及土壤侵蚀量都最小,草本模式其次,花草模式的产流量大于灌草模式,而灌草模式的产沙量与土壤侵蚀量都最大。说明,乔草模式、草本模式的保水固土能力更强,具有更好的水土保持效益。

(2)本研究选择草本、花草、灌草、乔草等4种模式来研究不同植被配置模式的恢复效果,且观测时间较短,波斯菊、马棘等还没有形成相当的规模,刺槐的覆盖率最高,但林下草本成活率也不理想,且本研究以产流量、产沙量、土壤侵蚀量来反映不同植被配置模式的水土保持基础效益,而不同乔灌草合理搭配下长时间序列下的水土保持效益包括经济、社会、生态等效益还需进一步研究。

参考文献：

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